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Die Erfindung betrifft eine Durchflussmessvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Durchflussmessvorrichtungen sind seit langem bekannt, bspw. aus der
DE 202 08 716 U1 oder
EP 1 464 928 A2 . Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Hauptkanal sowie einen Bypasskanal, der über wenigstens zwei Stichleitungen mit dem Hauptkanal verbunden ist. Ein Messelement zur Erfassung des Durchflusses eines durch den Hauptkanal strömenden Mediums ist im Bypasskanal angeordnet.
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Zur Erzeugung eines für die Messung im Bypasskanal erforderlichen Druckabfalls des durchströmenden Mediums ist aus dem Stand der Technik bekannt, den Querschnitt des Hauptkanals zu verringern, was bspw. durch eine entsprechende konstruktive Ausgestaltung des Hauptkanals im Bereich der Stichleitungen oder durch ein in dem Hauptkanal angeordnetes Einsetzteil erreicht werden kann. In der o.g.
EP 1 464 928 A2 befindet zu diesem Zweck im Hauptkanal ein Einsetzteil mit einem im Wesentlichen hülsenartigen Grundkörper.
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Bei vielen Durchflussmessvorrichtungen bzw. Durchflusssensoren, wie z.B. kalorimetrische Durchflusssensoren und Sensoren, welche auf einer Differenzdruckmessung beruhen, kann die Situation vorliegen, dass die Sensorsignale im Übergangsbereich zwischen laminarer und turbulenter Strömung keinen monotonen Zusammenhang zum Durchfluss aufweisen, wodurch die mathematisch eindeutige Zuordnung zwischen Signal und Durchfluss in diesem Bereich erschwert wird, was wiederum zu Messabweichungen im besagten Bereich führen kann. Diese Situation kann auch bei Durchflusssensoren auftreten, welche einen Teil des Gesamtdurchflusses über einen eingangs genannten Bypass leiten, in dem über den gesamten Messbereich zwar ein laminares Strömungsprofil vorherrscht, jedoch die Druckdifferenz, welche den Anteil des Durchflusses durch den Bypass bestimmt, vom Strömungsprofil im Hauptkanal abhängt. Dabei kann sich der Geschwindigkeitsbereich im Hauptkanal typischerweise von laminarer Strömung bis weit in den turbulenten Bereich erstrecken, wodurch im Übergangsbereich wiederum eine Nichtmonotonie des Differenzdruckes entstehen kann. Infolgedessen entsteht auch in einer derartigen Anordnung ein abschnittsweise nicht-monotoner Zusammenhang zwischen Sensorsignal und Durchfluss, obwohl im Bypass, in dem sich die Messelemente befinden, ein durchgehend laminares Strömungsregime vorherrscht.
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Aus der
US 5 099 881 A ist ein Durchflusssensor bekannt, bei dem im Hauptkanal ein Einsetzteil mit einer sich verjüngenden Kontur bekannt. Zwischen der Innenwand des Hauptkanals und des Einsetzteils bildet sich ein ringförmiger Durchgang aus.
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Aus der
CN 1 01 311 683 A ist eine Drosseleinrichtung für eine Durchflussmessvorrichtung bekannt, die eine Vielzahl von konzentrischen, gleichmäßig um eine zentrale Achse verteilten Öffnungen aufweist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Messgenauigkeit, insbesondere beim Vorliegen verschiedener Strömungsprofile, zu verbessern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Durchflussmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weist das Einsetzteil mehrere außenumfänglich angeordnete Abstandshalter auf, durch die der hülsenartige Grundkörper von der Innenwand des Hauptkanals beabstandet ist. Dadurch bildet sich ein vom Inneren des hülsenartigen Grundkörpers separierter Ringspalt zwischen dem hülsenartigen Grundkörper und der Innenwand des Hauptkanals aus. Das zu messende Medium strömt dabei sowohl durch das Innere des Grundkörpers als auch durch den Ringspalt, aber die Stichleitungen zum Bypasskanal mit dem Messelement sind ausschließlich mit dem Ringspalt verbunden. Der Ringspalt ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet und dementsprechend so dimensioniert, dass sich zumindest im Bereich zwischen den beiden Stichleitungen eine laminare Strömung ausbildet.
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Dabei muss es sich bei dem als Strömungswiderstandselement wirkenden Einsetzteil nicht unbedingt um ein Bauteil mit ringförmigem Querschnitt handeln. Abstrakt betrachtet stellt der Spalt gewissermaßen einen weiteren Bypasskanal dar, welcher zwischen dem Hauptkanal und dem eigentlichen Bypasskanal mit dem Messelement angeordnet und dabei so dimensioniert ist, dass in diesem weiteren Bypasskanal laminare Strömung vorherrscht.
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Erfindungsgemäß sind zur Fixierung des Einsetzteils im Hauptkanal an wenigstens einem Ende des hülsenförmigen Grundkörpers sich in Längsrichtung erstreckende L-förmige Hakenelemente angeordnet. Die kurzen, orthogonal von der Längsrichtung abstehenden Enden dieser L-förmigen Hakenelemente krallen sich dann gewissermaßen in entsprechende Ausbuchtungen in der Innenwand des Hauptkanals und verhindern somit, dass das Einsetzteil von der Strömung mitgerissen wird. Bevorzugt übernehmen diese L-förmigen Hakenelemente auch die Funktion der zuvor genannten Abstandshalter.
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Der Kern die Erfindung liegt zusammengefasst darin, dass das oben beschriebene Problem, in dem das Einsetzteil, welches die Druckdifferenz im Hauptkanal erzeugt, im Bereich der Stichleitungen - als Verbindung zwischen Haupt- und Bypasskanal - immer ein laminares Strömungsregime erzwingt und somit unabhängig vom Hauptkanal zwei identische Strömungssituationen im Ringspalt, den Stichleitungen sowie dem Bypasskanal vorliegen.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht somit in einer höheren Messgenauigkeit, da es nun keinen Übergangsbereich zwischen laminarer und turbulenter Strömung mehr gibt und somit die Druckdifferenz mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit nunmehr monoton wächst. Dadurch liegen jetzt Sensorkennlinien vor, die immer eine eindeutige Zuordnung zwischen Signal und Durchfluss bzw. Strömungsgeschwindigkeit zulassen.
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Ein weiterer Vorteil besteht zudem darin, dass durch die Erfindung die Durchflussmessung sehr energieeffizient ist, da das als Strömungswiderstandselement wirkende Einsetzteil im Inneren des Grundkörpers einen großen freien Durchgangskanal aufweist, welcher im Vergleich zu bisher bekannten Lösungen zu einem deutlich geringeren Druckverlust über das Gesamtsystem führt.
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Bevorzugt sind die Abstandshalter jeweils an den Enden des hülsenförmigen Grundkörpers angeordnet und des Weiteren bevorzugt dort jeweils außenumfänglich um 90° versetzt. Auf diese Weise ist eine wirkungsvolle und zuverlässige Abstützung und Beabstandung gegen die Innenwand des Hauptkanals erreicht und gleichzeitig die Durchströmung des Ringspalts gewährleistet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 ein erfindungsgemäßes Einsetzteil in perspektivischer Darstellung;
- 2 ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen Durchflussmessvorrichtung;
- 3 ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Durchflussmessvorrichtung.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 ist das als Strömungswiderstandselement wirkende Einsetzteil 10 abgebildet. Es besteht im Wesentlichen aus einem hülsenförmigen Grundkörper 11 an dessen beiden Enden außenumfänglich jeweils um 90° versetzte Abstandshalter positioniert oder angeformt sind. An der in der Figur rechten Seite sind diese Abstandshalter als kleine Plättchen ausgebildet, während sie auf der linken Seite jeweils Teil von L-förmigen Hakenelementen 14 sind. Die L-förmigen Hakenelemente 14 verlaufen in Längsrichtung des Grundkörpers 11 und dienen der Fixierung des Einsetzteils 10 im Strömungs- bzw. Hauptkanal 2, wie die folgende Figur zeigt.
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2 zeigt ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen Durchflussmessvorrichtung 1, welche zunächst aus einem Hauptkanal 2 besteht, in dem ein Medium strömt, dessen Durchfluss gemessen werden soll. Die Durchflussmessung erfolgt mittels eines oder mehrere Messelemente 5, welche sich in einem Bypasskanal 3 befinden. Über zwei Stichleitungen 4 ist der Bypasskanal 3 mit dem Hauptkanal 2 verbunden, so dass das Medium zum Messelement 5 gelangt. Vorliegend arbeitet die Durchflussmessvorrichtung nach dem kalorimetrischen Prinzip, bei dem aus einer Temperatur, einer Temperaturdifferenz oder einer davon abgeleiteten Größe auf den Durchfluss des Mediums geschlossen wird. Dieses Messprinzip ist an sich hinreichend bekannt und bedarf hier keiner weiteren Erläuterung.
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Für die Durchflussmessung im Bypasskanal ist es notwendig, im Bereich der Stichleitungen 4 eine Druckdifferenz zu erzeugen. Hierfür dient das Einsetzteil 10, das in Längsrichtung im Hauptkanal 2 angeordnet ist und aufgrund einer damit einhergehenden Querschnittsverengung des Hauptkanals 2 die gewünschte Druckdifferenz hervorruft.
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Damit das Einsetzteil 10 nicht von dem strömenden Medium mitgerissen wird, haken oder krallen sich die aus 1 bekannten L-förmige Hakenelemente 14 mit ihren kurzen, orthogonal von der Längsrichtung abstehenden Enden in entsprechende Ausbuchtungen in der Innenwand des Hauptkanals 2 ein.
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Durch die außenumfänglich am Einsetzteil 10 bzw. dessen Grundkörper 11 angeordneten Abstandshalter 12 wird der Grundkörper 11 von der Innenwand des Hauptkanals 2 beabstandet, so dass sich ein vom Inneren des Grundkörpers 11 separierter Ringspalt 13 zwischen dem hülsenartigen Grundkörper 11 und der Innenwand des Hauptkanals 2 ausbildet. Das zu messende Medium strömt dabei sowohl durch das Innere des Grundkörpers 11 als auch durch den Ringspalt 13. Die Stichleitungen 4 zum Bypasskanal 3 sind jedoch ausschließlich mit dem Ringspalt 13 verbunden. Im Ringspalt 13 wird so ein laminares Strömungsprofil erzeugt bzw. erzwungen, so dass im Ringspalt 13, den Stichleitungen 4 sowie dem Bypasskanal 3 immer identische Strömungssituationen vorliegen, unabhängig von der Situation im Hauptkanal 2.
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In 3 ist ein, ausgehend von der Darstellung in 2 von links betrachtetet, Querschnitt der erfindungsgemäßen Durchflussmessvorrichtung 1 abgebildet. Zu erkennen ist das im Hauptkanal 2 in Längsrichtung angeordnete Einsetzteil 10 mit seinem Grundkörper 11, den orthogonal abstehenden Enden der vier L-förmigen Hakenelementen 14 sowie der sich zwischen dem Grundkörper 11 und der Innenwand des Hauptkanals ergebende Ringspalt 13.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Durchflussmessvorrichtung
- 2
- Hauptkanal
- 3
- Bypasskanal
- 4
- Stichleitung
- 5
- Messelement
- 10
- Einsetzteil
- 11
- hülsenartiger Grundkörper
- 12
- Abstandshalter
- 13
- Ringspalt
- 14
- L-förmiges Hakenelement
